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JP6656718B2 - Negative electrode including multiple protective layers and lithium secondary battery including the same - Google Patents
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Negative electrode including multiple protective layers and lithium secondary battery including the same Download PDF

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Description

本出願は、2016年9月21日付韓国特許出願第10−2016−0120602号及び2017年7月20日付韓国特許出願第10−2017−0092180号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容を本明細書の一部として含む。   This application claims the benefit of priority based on Korean Patent Application No. 10-2016-0120602 filed on Sep. 21, 2016 and Korean Patent Application No. 10-2017-0092180 filed on Jul. 20, 2017. All contents disclosed in the application documents are included as part of the present specification.

本発明は、多重保護層を含む負極及びこれを含むリチウム二次電池に係り、より詳しくは、デンドライト(Dendrite)の成長を効果的に抑制することができるし、イオン伝導度が高い、多重保護層を含む負極及びこれを含むリチウム二次電池に関する。   BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a negative electrode including a multi-layered protective layer and a lithium secondary battery including the same. And a lithium secondary battery including the same.

最近、エネルギー貯蔵技術に対する関心が段々高くなっている。携帯電話、カムコーダー及びノートパソコンPC、さらには電気自動車のエネルギーまで適用分野が拡がり、電気化学素子の研究と開発に対する努力がますます具体化されている。   Recently, interest in energy storage technology has been increasing. The field of application has expanded to the energy of mobile phones, camcorders, notebook PCs, and even electric vehicles, and efforts to research and develop electrochemical devices have been increasingly embodied.

電気化学素子は、このような側面で最も注目を浴びている分野で、その中でも充・放電できる二次電池の開発は関心の焦点となっており、最近は、このような電池を開発するにあたり、容量密度及びエネルギー効率を向上させるために新しい電極と電池の設計に対する研究開発へと進められている。   Electrochemical devices are the area that has received the most attention in this regard, and the development of rechargeable and rechargeable batteries has been the focus of attention, and recently, in developing such batteries, Research and development on new electrode and battery designs to improve capacity density and energy efficiency are being pursued.

現在適用されている二次電池の中で、1990年代初に開発されたリチウム二次電池は、水溶液電解液を使用するNi−MH、Ni−Cd、硫酸−鉛電池などの在来式電池に比べて作動電圧が高く、且つエネルギー密度が遥かに高いという長所で脚光を浴びている。   Among the currently used secondary batteries, lithium secondary batteries developed in the early 1990's have been replaced with conventional batteries such as Ni-MH, Ni-Cd, and sulfate-lead batteries using an aqueous electrolyte solution. Compared with the advantages of a higher operating voltage and a much higher energy density, they have been spotlighted.

リチウム二次電池は、正極、負極及び前記正極と前記負極の間に介在された分離膜を含む電極組立体が積層または巻取された構造を有し、この電極組立体が電池ケースに内蔵され、その内部に非水電解液が注入されることで構成される。前記リチウム二次電池は、リチウムイオンが正極及び負極で挿入/脱離される時の酸化、還元反応によって電気エネルギーを生産する。   The lithium secondary battery has a structure in which an electrode assembly including a positive electrode, a negative electrode, and a separation membrane interposed between the positive electrode and the negative electrode is stacked or wound, and the electrode assembly is built in a battery case. , And a non-aqueous electrolyte is injected therein. The lithium secondary battery generates electric energy by an oxidation and reduction reaction when lithium ions are inserted / desorbed between a positive electrode and a negative electrode.

通常、リチウム二次電池の負極は、リチウム金属、炭素などが活物質として使われ、正極はリチウム酸化物、遷移金属酸化物、金属カルコゲン化合物、伝導性高分子などが活物質として使われる。   In general, a negative electrode of a lithium secondary battery uses lithium metal, carbon, or the like as an active material, and a positive electrode uses lithium oxide, a transition metal oxide, a metal chalcogen compound, a conductive polymer, or the like as an active material.

この中で、リチウム金属を負極で使用したリチウム二次電池は、大概銅集電体上にリチウムホイルを付着したり、リチウム金属シート自体を電極として使用する。リチウム金属は、電位が低くて容量が大きいので、高容量の負極素材として大きい関心を浴びている。   Among them, a lithium secondary battery using lithium metal as a negative electrode generally attaches a lithium foil on a copper current collector or uses a lithium metal sheet itself as an electrode. Lithium metal has attracted great interest as a high-capacity negative electrode material because of its low potential and large capacity.

リチウム金属を負極として使用する場合、電池駆動の際に、様々な要因によってリチウム金属表面に電子密度の不均一化が起きることがある。ここで、電極表面に木の枝の形態のリチウムデンドライトが生成され、電極表面に突起が形成されるか、または成長して電極表面が非常に荒い。このようなリチウムデンドライトは、電池の性能低下と共に、酷い場合は分離膜の損傷及び電池の短絡(short circuit)を引き起こす。その結果、電池内の温度が上昇して電池の爆発及び火災の危険性がある。   When lithium metal is used as the negative electrode, unevenness in electron density may occur on the surface of the lithium metal due to various factors when the battery is driven. Here, lithium dendrites in the form of tree branches are generated on the electrode surface, and protrusions are formed or grow on the electrode surface, so that the electrode surface is very rough. Such lithium dendrite may cause deterioration of the battery performance and, in severe cases, damage to the separator and short circuit of the battery. As a result, the temperature inside the battery rises, and there is a risk of explosion and fire of the battery.

これを解決するために、現在リチウム金属層にポリマー保護層または無機固体保護層を取り入れたり、電解液の塩の濃度を高めたり、適切な添加剤を適用する研究が行われた。しかし、このような研究のリチウムデンドライト抑制効果は微々たる実情である。したがって、リチウム金属負極自体の形態変形を通して問題を解決することが効果的な代案になれる。   In order to solve this problem, studies have been made to incorporate a polymer protective layer or an inorganic solid protective layer into the lithium metal layer, increase the salt concentration of the electrolyte, and apply an appropriate additive. However, the effect of such research on suppressing lithium dendrite is only a slight fact. Therefore, solving the problem through deformation of the lithium metal negative electrode itself is an effective alternative.

韓国登録特許公報第10−1621410号「リチウム電極及びそれを含むリチウム二次電池」Korean Registered Patent Publication No. 10-162410 "Lithium Electrode and Lithium Secondary Battery Containing It" 韓国公開特許公報第10−2016−0052351号「安定した保護層を有するリチウム金属電極及びこれを含むリチウム二次電池」Korean Patent Application Publication No. 10-2016-0052351 "Lithium metal electrode having stable protective layer and lithium secondary battery including the same"

上述したように、リチウム二次電池のリチウムデンドライトは、負極表面で析出され、これによってセルの体積膨脹をもたらすこともある。ここで、本発明者は、多角的に研究した結果、このようなデンドライトによる問題を電極の構造を変形することによって解決できる方法を見出し、本発明を完成した。   As described above, the lithium dendrite of the lithium secondary battery is deposited on the surface of the negative electrode, which may cause volume expansion of the cell. Here, as a result of various studies, the inventor of the present invention has found a method that can solve such a problem caused by dendrite by modifying the structure of the electrode, and has completed the present invention.

したがって、本発明の目的は、電極構造を変形することによって、リチウムデンドライトによるセルの体積膨脹問題を解決し、電池性能が向上されたリチウム二次電池を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery having improved battery performance by solving the problem of cell volume expansion due to lithium dendrite by deforming the electrode structure.

前記の目的を達成するために、
本発明は、リチウム金属層;
前記リチウム金属層上に形成され、前記リチウム金属層との界面を維持させる第1保護層;
前記第1保護層上に形成され、デンドライトの成長を物理的に抑制する第2保護層;及び
前記第2保護層上に形成され、前記第2保護層の構造を支持する第3保護層;を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極を提供する。
To achieve the above objectives,
The present invention relates to a lithium metal layer;
A first protective layer formed on the lithium metal layer and maintaining an interface with the lithium metal layer;
A second protective layer formed on the first protective layer and physically suppressing dendrite growth; and a third protective layer formed on the second protective layer and supporting a structure of the second protective layer; The present invention provides a negative electrode for a lithium secondary battery, comprising:

この時、前記第1保護層は、イオン伝導度が10−7S/Cm以上であり、電解液吸収度が150重量%以上であってもよい。 At this time, the first protective layer may have an ionic conductivity of 10 −7 S / Cm or more and an electrolyte absorbency of 150 wt% or more.

この時、前記第1保護層は、PVdF−HFP(poly(vinylidene fluoride−co−hexafluoropropylene))高分子、ポリウレタン系高分子及びポリアクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。   In this case, the first protective layer may include at least one selected from the group consisting of PVDF-HFP (poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)) polymer, polyurethane-based polymer and polyacryl-based polymer. Can be.

この時、前記第2保護層は、ヤング率(Young’s modulus)が5GPa以上で、Liイオン伝導度が10−7S/Cm以上であり、電解液吸収度が150重量%以下であってもよい。 At this time, the second protective layer has a Young's modulus of 5 GPa or more, a Li ion conductivity of 10 −7 S / Cm or more, and an electrolyte absorbency of 150 wt% or less. Is also good.

この時、前記第2保護層は、LiPON(Lithium Phosphorus Oxynitride)、LiBON(Lithium Boron Oxynitride)、酸化ジルコニウム、β−アルミナ、LISICON(Lithium Super Ionic Conductor)系化合物、LiS−P系化合物、LiN、LiI、LiNI、LiN−LiI−LiOH、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、LiSiS、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、LiS、LiS−SiS、LiS−GeS、LiS−B、LiS−Al、LiO−Al−TiO−P(LATP)、CaF、AgI、RbAg、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子、ポリプロピレン系高分子及びポリカーボネート系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。 In this case, the second protective layer, LiPON (Lithium Phosphorus Oxynitride), LiBON (Lithium Boron Oxynitride), zirconium oxide, beta-alumina, LISICON (Lithium Super Ionic Conductor) compound, Li 2 S-P 2 S 5 based compound, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2, Li 3 N-LiI-LiOH, LiSiO 4, LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 S, Li 2 S- SiS 2, Li 2 S-GeS 2, Li 2 S-B 2 S 5, Li 2 S-Al 2 S 2, Li 2 O-Al 2 O 3 -TiO 2 -P 2 O 5 (LATP), CaF 2 , AgI, RbAg 4 I 5 , PVdF-HFP polymer, polyurethane-based polymer, polypropylene-based polymer, and polycarbonate-based polymer.

この時、前記第3保護層は、イオン伝導度が10−5S/Cm以上であり、電解液吸収度が150重量%以下であってもよい。 At this time, the third protective layer may have an ionic conductivity of 10 −5 S / Cm or more and an electrolyte absorption of 150 wt% or less.

この時、前記第3保護層は、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子及びポリアクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。   In this case, the third protective layer may include at least one selected from the group consisting of a PVdF-HFP polymer, a polyurethane polymer, and a polyacryl polymer.

また、本発明は、リチウム金属層;及び
デンドライト成長抑制層、単一イオン伝導層及び重合体層からなる群から独立に選択された3つ以上の層;を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極を提供する。
The present invention also provides a lithium secondary battery comprising: a lithium metal layer; and three or more layers independently selected from the group consisting of a dendrite growth suppressing layer, a single ion conductive layer, and a polymer layer. Provided is a negative electrode for a battery.

この時、前記デンドライト成長抑制層は、PVdF−HFP高分子、LiPON、LiBON、ポリウレタン系高分子、ポリプロピレン系高分子及びポリカーボネート系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。   At this time, the dendrite growth suppressing layer may include at least one selected from the group consisting of PVdF-HFP polymer, LiPON, LiBON, polyurethane-based polymer, polypropylene-based polymer, and polycarbonate-based polymer.

また、本発明は、前記負極を含むリチウム二次電池を提供する。   The present invention also provides a lithium secondary battery including the negative electrode.

本発明による多重保護層は、電極の表面でリチウムデンドライトが成長することを物理的に抑制すると同時に、リチウムイオンをリチウム金属電極へ効果的に伝達することができるし、イオン伝導性に優れて保護層自体が抵抗層として作用しなくて充放電時に過電圧がかからないので、電池の性能低下を防止し、そして電池駆動時に安定性を確保することができる。   The multiple protective layer according to the present invention can physically suppress the growth of lithium dendrite on the surface of the electrode, effectively transmit lithium ions to the lithium metal electrode, and have excellent ion conductivity to protect the metal. Since the layer itself does not act as a resistance layer and an overvoltage is not applied at the time of charge / discharge, the performance of the battery can be prevented from deteriorating, and stability can be ensured when the battery is driven.

したがって、本発明で提示した多重保護層を含むリチウム電極は、リチウム二次電池の負極として好ましく適用可能であり、これは多様な装置、一例としてリチウム金属を負極として使用した殆どの小型電子機器から大容量エネルギー貯蔵装置などに適用可能である。   Therefore, the lithium electrode including the multiple protective layer presented in the present invention can be preferably applied as a negative electrode of a lithium secondary battery, which can be used for various devices, for example, most small electronic devices using lithium metal as a negative electrode. It is applicable to a large-capacity energy storage device and the like.

本発明の一実施例によるリチウム二次電池用電極の模式図である。1 is a schematic view of an electrode for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、添付の図面を参考にして詳しく説明する。しかし、本発明は幾つか異なる形態で具現されてもよく、本明細書に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention belongs can be easily implemented. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to this description.

本発明は、リチウム金属層110;
前記リチウム金属層110上に形成され、前記リチウム金属層110との界面を維持させる第1保護層120;
前記第1保護層120上に形成され、デンドライトの成長を物理的に抑制する第2保護層130;及び
前記第2保護層130上に形成され、前記第2保護層130の構造を支持する第3保護層140;を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極100を提供する。
The present invention relates to a lithium metal layer 110;
A first protective layer 120 formed on the lithium metal layer 110 to maintain an interface with the lithium metal layer 110;
A second protective layer 130 formed on the first protective layer 120 and physically suppressing dendrite growth; and a second protective layer 130 formed on the second protective layer 130 and supporting the structure of the second protective layer 130. And a negative electrode 100 for a lithium secondary battery, comprising: a third protective layer 140;

図1は、本発明の一実施例によるリチウム二次電池用負極100を示す図面である。   FIG. 1 is a view illustrating a negative electrode 100 for a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention.

図1を参照すれば、本発明のリチウム二次電池用負極100には、リチウム金属層110上に第1保護層120、第2保護層130及び第3保護層140が順に形成されている。本図面では、リチウム金属層110の一面のみに第1保護層120、第2保護層130及び第3保護層140が形成されているが、両面に全て形成されてもよい。   Referring to FIG. 1, a first protective layer 120, a second protective layer 130, and a third protective layer 140 are sequentially formed on a lithium metal layer 110 in a negative electrode 100 for a lithium secondary battery of the present invention. In this drawing, the first protective layer 120, the second protective layer 130, and the third protective layer 140 are formed only on one surface of the lithium metal layer 110, but may be formed on both surfaces.

一般的に、リチウム金属を電池負極として利用する場合、次のような問題が存在する。第一、リチウムはアルカリ金属で水と爆発的に反応するので、一般的な環境で製造及び利用し難い。第二、リチウムを負極として使用する場合、電解質や水、電池内の不純物、リチウム塩などと反応して不動態層を作るようになるし、この層は局所的な電流密度差をもたらして樹状のリチウムデンドライトを形成する。また、このように形成されたデンドライトは、成長して分離膜の空隙の間を超えて正極と直接的な内部短絡を起こすことがあるので、電池が爆発する現象をもたらすようになる。第三、リチウムは柔らかい金属であって、機械的強度が弱いため、さらなる表面処理をせずに使用するには取り扱い性が非常に落ちる。   Generally, when lithium metal is used as a battery negative electrode, the following problems exist. First, lithium is an alkali metal and reacts explosively with water, making it difficult to produce and use in a general environment. Second, when lithium is used as the negative electrode, it reacts with the electrolyte, water, impurities in the battery, lithium salts, etc. to form a passivation layer. Form lithium dendrites in the shape of In addition, the dendrite thus formed may grow and cause a direct internal short circuit with the positive electrode beyond the space between the separators, thereby causing a battery explosion. Third, since lithium is a soft metal and has low mechanical strength, it is very difficult to handle without further surface treatment.

ここで、本発明では、リチウム金属層110上に第1保護層120、第2保護層130及び第3保護層140を形成することでデンドライトの成長を防止することができる。   Here, in the present invention, the formation of the first protective layer 120, the second protective layer 130, and the third protective layer 140 on the lithium metal layer 110 can prevent dendrite growth.

本発明の一実施例によれば、前記リチウム金属層110は、板型の金属を用いることができる。前記リチウム金属層110は電極製造に容易となるように、電極の形態によって幅を調節することができる。リチウム金属層の厚さは1ないし50μmであってもよい。   According to an embodiment of the present invention, the lithium metal layer 110 may use a plate-shaped metal. The width of the lithium metal layer 110 can be adjusted according to the shape of the electrode so that the electrode can be easily manufactured. The thickness of the lithium metal layer may be 1 to 50 μm.

前記第1保護層120、第2保護層130及び第3保護層140は、前記リチウム金属層110上に積層されているので、リチウム金属層110と電解質との間のリチウムイオンの円滑な移動のために、リチウムイオンに対するイオン伝導度が基本的に求められる。したがって、前記三つの保護層は、いずれもLiイオン伝導度が少なくとも10−7S/Cm以上であることが好ましい。 Since the first protective layer 120, the second protective layer 130, and the third protective layer 140 are stacked on the lithium metal layer 110, smooth movement of lithium ions between the lithium metal layer 110 and the electrolyte is achieved. Therefore, ion conductivity for lithium ions is basically required. Therefore, it is preferable that all of the three protective layers have Li ion conductivity of at least 10 −7 S / Cm or more.

また、前記第1保護層120、第2保護層130及び第3保護層140は、3重積層構造において、後述する各々の役割があって、前記のような3重積層構造である時、デンドライトの成長を抑制する効果及びイオン伝導度を維持する効果が最も良い。   In addition, the first protective layer 120, the second protective layer 130, and the third protective layer 140 have the respective roles described below in the triple-layered structure. The effect of suppressing the growth of GaN and the effect of maintaining the ionic conductivity are the best.

また、前記保護層は、一定範囲以上または以下の電解液吸収度(uptake)が求められることがあるが、第1保護層は150%以上の電解液吸収度を有してもよく、第2保護層及び第3保護層は150%以下の電解液吸収度を有してもよい。   In addition, the protective layer may require an electrolyte absorbency (uptake) of a certain range or more or less, but the first protective layer may have an electrolyte absorbency of 150% or more, The protective layer and the third protective layer may have an electrolyte absorbency of 150% or less.

ここで、電解液吸収度とは、前記保護層が電解液を如何に吸収できるかを意味することであって、保護層の電解液吸収前の質量に比べてどれ程吸収後の質量が増加するか示すことである。前記第1保護層は、150%以上の電解液吸収度を有してイオン伝導度が大きくなってもよく、物理的に柔軟なので成長するリチウムを包むことができるため、前記リチウム金属層と前記第2保護層の間の界面を維持することができる。前記第2保護層及び第3保護層は、150%以下の電解液吸収度を有するので比較的に堅い物性を有し、デンドライト形成を効果的に抑制することができる。   Here, the electrolytic solution absorbance means how the protective layer can absorb the electrolytic solution, and how much the mass after absorption of the protective layer increases compared to the mass before absorbing the electrolytic solution. To show. The first protective layer may have an electrolyte absorbency of 150% or more and may have a high ionic conductivity. The first protective layer is physically flexible and can wrap the growing lithium. The interface between the second protective layers can be maintained. Since the second protective layer and the third protective layer have an electrolyte absorbency of 150% or less, they have relatively hard physical properties, and can effectively suppress dendrite formation.

本発明の一実施例によれば、前記第1保護層120は前記リチウム金属層110上に形成され、リチウムイオン電池が充放電される間、前記リチウム金属層110と保護層との間の界面を維持する役割をする。   According to an embodiment of the present invention, the first protective layer 120 is formed on the lithium metal layer 110 and an interface between the lithium metal layer 110 and the protective layer during charging and discharging of the lithium ion battery. To maintain the role.

前記第1保護層120は、Liイオン伝導度が10−7S/Cm以上で、電解液吸収度が150重量%以上であってもよく、好ましくは、150〜250重量%であってもよく、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子及びポリアクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上を含んでもよい。前記第1保護層120は、高い電解液吸収度によって物理的に比較的柔軟であるため、界面を維持するために適切である。 The first protective layer 120 may have a Li ion conductivity of 10 −7 S / Cm or more and an electrolyte absorbency of 150% by weight or more, preferably 150 to 250% by weight. , A PVdF-HFP polymer, a polyurethane polymer, and a polyacrylic polymer. The first protective layer 120 is suitable for maintaining an interface because it is physically relatively flexible due to high electrolyte absorption.

前記PVdF−HFPのうち、HFPの含量が15重量%以上であってもよく、前記ポリウレタン系高分子のショア(shore)硬度は80A以下であってもよく、前記ポリアクリル系高分子の架橋密度は10−4mol/g以下であってもよい。前記ショア硬度が低すぎると、電解液の含浸量が多くなりすぎて、電池の体積が増加することがあるし、前記架橋密度が高すぎると、イオン伝導度が減少して抵抗が増加することがある。 In the PVdF-HFP, the content of HFP may be 15% by weight or more, the shore hardness of the polyurethane polymer may be 80A or less, and the crosslink density of the polyacrylic polymer. May be 10 −4 mol / g or less. If the Shore hardness is too low, the impregnation amount of the electrolytic solution becomes too large, and the volume of the battery may increase.If the crosslink density is too high, the ionic conductivity decreases and the resistance increases. There is.

第1保護層120が形成されていない場合、リチウムイオン電池が前記リチウム金属層110と保護層との間の界面が維持されないため、抵抗が増加することによる電池容量の減少が生じえる。   When the first protective layer 120 is not formed, the interface between the lithium metal layer 110 and the protective layer is not maintained in the lithium ion battery, so that the battery capacity may decrease due to an increase in resistance.

したがって、前記第1保護層120の厚さは、前記界面を維持できるほどだけ塗布されれば十分であり、厚すぎると電極の厚さが不必要に増加することになるので、前記第1保護層120の厚さは1〜10μmであってもよい。   Accordingly, it is sufficient that the first protective layer 120 is applied only enough to maintain the interface, and if the first protective layer 120 is too thick, the thickness of the electrode is unnecessarily increased. Layer 120 may have a thickness of 1-10 μm.

本発明の一実施例によれば、前記第2保護層130は前記第1保護層120上に形成され、物理的にデンドライトの成長を抑制する役割をする。   According to an embodiment of the present invention, the second protective layer 130 is formed on the first protective layer 120 and serves to physically suppress dendrite growth.

したがって、前記第2保護層130は強い物理的強度及びイオン伝導度を有することが好ましい。前記第2保護層130は、ヤング率(Young’s modulus)が5GPa以上で、Liイオン伝導度が10−7S/Cm以上であり、電解液吸収度が150重量%以下であってもよく、好ましくは、30〜150重量%であってもよい。 Accordingly, the second protective layer 130 preferably has high physical strength and ionic conductivity. The second protective layer 130 may have a Young's modulus of 5 GPa or more, a Li ion conductivity of 10 −7 S / Cm or more, and an electrolyte absorption of 150 wt% or less. Preferably, it may be 30 to 150% by weight.

また、前記第2保護層130は、LiPON、LiBON、酸化ジルコニウム、β−アルミナ、LISICON(Lithium Super Ionic Conductor)系化合物、LiS−P系化合物、LiN、LiI、LiNI、LiN−LiI−LiOH、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、LiSiS、LiSiO、LiSiO−LiI−LiOH、LiS、LiS−SiS、LiS−GeS、LiS−B、LiS−Al、LiO−Al−TiO−P(LATP)、CaF、AgI、RbAg、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子、ポリプロピレン系高分子及びポリカーボネート系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。 The second protective layer 130, LiPON, LiBON, zirconium oxide, beta-alumina, LISICON (Lithium Super Ionic Conductor) compound, Li 2 S-P 2 S 5 based compounds, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2, Li 3 N-LiI -LiOH, LiSiO 4, LiSiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 SiS 3, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 S, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-GeS 2, Li 2 S-B 2 S 5, Li 2 S-Al 2 S 2, Li 2 O-Al 2 O 3 -TiO 2 -P 2 O 5 (LATP), CaF 2, AgI , RbAg 4 I 5, PVdF- HFP polymer, polyurethane polymer, polypropylene-based polymer and It can include one or more selected from the group consisting of polycarbonate-based polymer.

前記PVdF−HFPのうち、HFPの含量が5重量%以下であってもよく、前記ポリウレタン系高分子のショア硬度は75D以上であってもよく、前記ポリプロピレン系高分子の孔隙率は5〜50%であってもよい。ショア硬度が前記範囲の以下である場合は、デンドライトの成長を物理的に抑制しにくいことがある。また、孔隙率が低すぎると抵抗が増加することによる容量減少が生じえるし、高すぎるとデンドライト成長を抑制し難いことがある。   In the PVdF-HFP, the HFP content may be 5% by weight or less, the polyurethane polymer may have a Shore hardness of 75D or more, and the porosity of the polypropylene polymer may be 5 to 50%. %. When the Shore hardness is less than the above range, it may be difficult to physically suppress dendrite growth. If the porosity is too low, the capacity may decrease due to an increase in the resistance. If the porosity is too high, it may be difficult to suppress dendrite growth.

前記ヤング率は、物体を両方で引き伸ばす時、物体の伸びる度合いと変形される度合いを示す弾性率で、長さ弾性率とも言うが、前記第2保護層130は、物理的にデンドライトの成長を抑制するので、一定範囲以上のヤング率を物性で有することが好ましい。ヤング率を測定する方法は、本技術分野における専門家に知られており、ヤング率を測定するために使われる模範的器具の一つは、万能材料試験機(Universal Testing Machine)である。   The Young's modulus is a modulus of elasticity that indicates a degree of elongation and a degree of deformation of the object when the object is stretched in both directions, and is also referred to as a length elastic modulus. The second protective layer 130 physically grows dendrite. To suppress this, it is preferable to have a Young's modulus of a certain range or more in physical properties. Methods for measuring Young's modulus are known to those skilled in the art, and one exemplary instrument used to measure Young's modulus is a Universal Testing Machine.

前記第2保護層130は、デンドライトの成長を抑制するだけでなく導電性を有するので、電極にリチウムイオンを円滑に伝えることができて電池の寿命が長くなるし、電池の性能が向上される。   The second protective layer 130 not only suppresses the growth of dendrite but also has conductivity, so that lithium ions can be smoothly transmitted to the electrodes, thereby extending the life of the battery and improving the performance of the battery. .

また、前記第2保護層130の厚さが薄すぎると、デンドライトの成長を効果的に抑制し難いことがあるし、逆に厚さが厚すぎると不必要な厚さの増加によって相対的容量損失が発生することがあるので、前記第2保護層130の厚さは1〜10μmであってもよい。   In addition, if the thickness of the second protective layer 130 is too small, it may be difficult to effectively suppress the growth of dendrite. On the other hand, if the thickness is too large, the relative capacity may be increased due to an unnecessary increase in thickness. Since the loss may occur, the thickness of the second protective layer 130 may be 1 to 10 μm.

本発明の一実施例によれば、前記第3保護層140は前記第2保護層130上に形成されて前記第2保護層130の構造を支持する支持体としての役割をする。すなわち、前記第3保護層140は前記第2保護層130を物理的に支持する役割をする。   According to an embodiment of the present invention, the third protective layer 140 is formed on the second protective layer 130 and serves as a support for supporting the structure of the second protective layer 130. That is, the third protective layer 140 physically supports the second protective layer 130.

前記第3保護層140は、イオン伝導度が10−5S/Cm以上で、電解液吸収度が150重量%以下であってもよく、好ましくは、10〜150重量%であってもよく、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子及びポリアクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。 The third protective layer 140 may have an ionic conductivity of 10 −5 S / Cm or more and an electrolyte absorbency of 150 wt% or less, preferably 10 to 150 wt%. It may include at least one selected from the group consisting of a PVdF-HFP polymer, a polyurethane-based polymer, and a polyacryl-based polymer.

前記PVdF−HFPのうちHFPの含量が5〜15重量%であってもよく、前記ポリウレタン系高分子のショア硬度は80A〜75Dであってもよく、前記ポリアクリル系高分子の架橋密度は0.01M/cm以上であってもよい。 The PVdF-HFP may have an HFP content of 5 to 15% by weight, the polyurethane polymer may have a Shore hardness of 80A to 75D, and the polyacrylic polymer has a crosslink density of 0%. 0.01 M / cm 3 or more.

また、前記第3保護層140の厚さが薄すぎると前記第2保護層130の構造を支持しにくいことがあり、逆に厚さが厚すぎると不必要な厚さの増加によって相対的容量損失が発生することがあるので、前記第3保護層140の厚さは1〜10μmであってもよい。   Also, if the thickness of the third protective layer 140 is too small, it may be difficult to support the structure of the second protective layer 130. On the other hand, if the thickness is too large, the relative thickness may be increased due to an unnecessary increase in thickness. Since a loss may occur, the thickness of the third protective layer 140 may be 1 to 10 μm.

前記第1保護層、第2保護層及び第3保護層が含む高分子などにLiイオン伝導度を向上させるために、リチウム塩のような電解質塩を添加することができるし、前記リチウム塩はリチウム二次電池用電解液に通常使われるものなどが制限されずに使用されてもよい。例えば、前記リチウム塩の陰イオンとしては、F、Cl、Br、I、NO 、N(CN) 、BF 、ClO 、PF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF、(CF、CFSO 、CFCFSO 、(CFSO、(FSO、CFCF(CFCO、(CFSOCH、(SF、(CFSO、CF(CFSO 、CFCO 、CHCO 、SCN及び(CFCFSOからなる群から選択される一つ以上を含むことができる。 An electrolyte salt such as a lithium salt may be added to the polymer included in the first protective layer, the second protective layer, and the third protective layer in order to improve Li ion conductivity. What is usually used as an electrolyte for a lithium secondary battery may be used without limitation. For example, as the anion of the lithium salt, F , Cl , Br , I , NO 3 , N (CN) 2 , BF 4 , ClO 4 , PF 6 , (CF 3 ) 2 PF 4 , (CF 3 ) 3 PF 3 , (CF 3 ) 4 PF 2 , (CF 3 ) 5 PF , (CF 3 ) 6 P , CF 3 SO 3 , CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2 ) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C - , (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - consists - and (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N It can include one or more selected from the group.

前記第1保護層120、第2保護層130及び第3保護層140の形成方法は特に制限されないし、前記PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系、ポリアクリル系及びポリプロピレン系高分子などの場合、前記高分子またはモノマーを溶媒コーティング液と混合した後、反応スパッタリング、マイクログラビアコーティング、コンマコーティング、スロットダイコーティング、スプレイコーティング、ディップコーティング、フローコーティングなどを採用して形成することができるし、これに限定されない。また、前記LiPON及びLiBONなどのような固体電解質は、パウダー状態でバインダーなどと混合して使用することができる。   The method of forming the first protective layer 120, the second protective layer 130, and the third protective layer 140 is not particularly limited, and when the PVdF-HFP polymer, the polyurethane-based, the polyacryl-based, or the polypropylene-based polymer is used, After the polymer or monomer is mixed with the solvent coating solution, it can be formed by using reactive sputtering, microgravure coating, comma coating, slot die coating, spray coating, dip coating, flow coating, etc. Not done. In addition, the solid electrolyte such as LiPON and LiBON can be used by mixing with a binder or the like in a powder state.

本発明の好ましい一具現例によると、前記リチウム二次電池用負極は、リチウム金属層上にHFP 20重量%のPVdF−HFPを含む第1保護層、LiPONを含む第2保護層及びHFP 5重量%のPVdF−HFPを含む第3保護層を積層して製造されてもよく、このような構造のリチウム電極は、デンドライトの成長を効果的に抑制することができる。   According to a preferred embodiment of the present invention, the negative electrode for a rechargeable lithium battery includes a first protective layer containing 20% by weight of HFP PVdF-HFP, a second protective layer containing LiPON and 5% by weight of HFP on a lithium metal layer. % Of PVdF-HFP, and may be manufactured by laminating a third protective layer. The lithium electrode having such a structure can effectively suppress dendrite growth.

本発明によるリチウム二次電池用電極は、電池に加工される形態によって様々な幅と長さを持つことができる。必要に応じて多様な幅に製造されたリチウム二次電池用電極を巻取して必要な時切断して使用することもできる。   The electrode for a lithium secondary battery according to the present invention may have various widths and lengths depending on a form processed into a battery. If necessary, the electrodes for lithium secondary batteries manufactured in various widths can be wound and cut when necessary.

また、本発明は、リチウム金属層;及び
デンドライト成長抑制層、単一イオン伝導層及び重合体層からなる群から独立的に選択された3つ以上の層;を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極100を提供する。
The present invention also provides a lithium secondary battery comprising: a lithium metal layer; and three or more layers independently selected from the group consisting of a dendrite growth suppressing layer, a single ion conductive layer, and a polymer layer. A negative electrode for a secondary battery is provided.

前記デンドライト成長抑制層は、前記第2保護層130を意味し、LiPON、LiBON、ポリウレタン系高分子、ポリプロピレン系高分子及びポリカーボネート系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことができる。   The dendrite growth suppressing layer means the second protective layer 130, and may include at least one selected from the group consisting of LiPON, LiBON, polyurethane-based polymer, polypropylene-based polymer, and polycarbonate-based polymer. .

前記単一イオン伝導層は無機、有機、及び混合有機−無機重合体性物質を含むことができる。本明細書で使われる用語「単一イオン伝導層」は、単一負荷の陽イオンの通過を選択的に、または排除的に許容する層を意味する。単一イオン伝導層は、選択的にまたは排除的にリチウムイオンなどの陽イオンを伝達する能力を有し、例えば、アメリカ特許番号5,731,104(Venturaなど)に開示された重合体を含むことができる。一実施例において、単一イオン伝導層は、リチウムイオンに対して伝導性がある単一イオン伝導ガラスを含むことができる。適当なガラスの中で、当業系で公知された「改質剤」部分及び「ネットワーク」部分を含むことを特徴とすることができるものがある。改質剤は、典型的にガラスの中で、伝導性がある金属イオンの金属オキシドであってもよい。ネットワーク形成剤は典型的に金属カルコゲニド、例えば、金属オキシドまたはスルフィドであってもよい。   The single ion conductive layer may include inorganic, organic, and mixed organic-inorganic polymeric materials. The term "single ion conducting layer" as used herein means a layer that selectively or exclusively allows the passage of a single load of cations. The single ion conducting layer has the ability to selectively or exclusively transfer cations, such as lithium ions, and includes, for example, the polymers disclosed in US Pat. No. 5,731,104 (Ventura, etc.). be able to. In one embodiment, the single ion conductive layer can include a single ion conductive glass that is conductive for lithium ions. Some suitable glasses can be characterized as including "modifier" and "network" moieties known in the art. The modifier may be a metal oxide of a conductive metal ion, typically in glass. The network former may typically be a metal chalcogenide, for example, a metal oxide or sulfide.

また、前記単一イオン伝導層は、リチウムシリケート、リチウムボレート、リチウムアルミネート、リチウムホスフェート、リチウムフォスフォラスオキシナイトライド、リチウムシリコスルフィド、リチウムゲルマノスルフィド、リチウムランタンオキシド、リチウムチタンオキシド、リチウムボロスルフィド、リチウムアルミノスルフィド及びリチウムホスホスルフィドからなる群から選択された一つ以上を含むガラス質の物質を含有するガラス質層を含むことができる。一実施例において、単一イオン伝導層は、リチウムフォスフォラスオキシナイトライドを含むことができる。リチウムフォスフォラスオキシナイトライドの電解質フィルムは、例えば、アメリカ特許番号5,569,520(Bates)に開示されている。   Further, the single ion conductive layer is formed of lithium silicate, lithium borate, lithium aluminate, lithium phosphate, lithium phosphorous oxynitride, lithium silicosulfide, lithium germanosulfide, lithium lanthanum oxide, lithium titanium oxide, lithium borosulfide. And a vitreous layer containing a vitreous material containing at least one selected from the group consisting of lithium aluminosulfide and lithium phosphosulfide. In one embodiment, the single ion conducting layer can include lithium phosphorous oxynitride. Lithium phosphorous oxynitride electrolyte films are disclosed, for example, in U.S. Patent No. 5,569,520 (Bates).

前記重合体層はこれに制限されないが、電気伝導性重合体、イオン伝導性重合体、スルホン化重合体及び炭化水素重合体からなる群から選択される一つ以上を含むことができる。適当な電気伝導性重合体はこれに制限されないが、ポリ(p−フェニレン)、ポリアセンチレン、ポリ(フェニレンビニレン)、ポリアズレン、ポリ(フェリナフタレン)、ポリアセン及びポリ(ナフタレン−2,6−ジイル)を含み、アメリカ特許番号5,648,187(Skotheim)に記載されたものを含むことができる。また、適当なイオン伝導性重合体は、ポリエチレンオキシドなどのリチウム電気化学電池に対する固体重合体電解質及びゲル重合体電解質に有用なものとして公知されたイオン伝導性重合体を含むことができる。適当なスルホン化重合体は、スルホン化シロキサン重合体、スルホン化ポリスチレン−エチレン−ブチレン重合体、及びスルホン化ポリスチレン重合体を含むことができる。また、適当な炭化水素重合体は、エチレン−プロピレン重合体、ポリスチレン重合体などを含むことができる。   The polymer layer may include, but is not limited to, one or more selected from the group consisting of an electrically conductive polymer, an ion conductive polymer, a sulfonated polymer, and a hydrocarbon polymer. Suitable electrically conductive polymers include, but are not limited to, poly (p-phenylene), polyacentylene, poly (phenylene vinylene), polyazulene, poly (ferinaphthalene), polyacene and poly (naphthalene-2,6-diyl). And those described in US Patent No. 5,648,187 (Skotheim). Suitable ionic conductive polymers can also include ionic conductive polymers known as being useful as solid and gel polymer electrolytes for lithium electrochemical cells, such as polyethylene oxide. Suitable sulfonated polymers can include sulfonated siloxane polymers, sulfonated polystyrene-ethylene-butylene polymers, and sulfonated polystyrene polymers. Also, suitable hydrocarbon polymers can include ethylene-propylene polymers, polystyrene polymers, and the like.

また、前記重合体層は、アルキルアクリレート、グリコールアクリレート、ポリグリコールアクリレート、ポリグリコールビニルエーテル、ポリグリコールジビニルエーテル及びセパレーター層に対する保護コーティング層のための、アメリカ特許出願一連番号09/399,967(共同出願人Yingなど)に記載されたものを含む単量体の重合から形成された架橋結合重合体物質であってもよい。例えば、前記架橋重合体物質は、ポリジビニルポリ(エチレングリコール)であってもよい。架橋重合体物質は、イオン伝導性を強化するために、塩、例えば、リチウム塩をさらに含んでもよい。一実施例において、多層構造の重合体層は、架橋結合重合体を含んでもよい。   Also, the polymer layer can be used as a protective coating layer for alkyl acrylates, glycol acrylates, polyglycol acrylates, polyglycol vinyl ethers, polyglycol divinyl ethers and separator layers in US patent application Ser. No. 09 / 399,967 (joint application). Cross-linked polymeric materials formed from the polymerization of monomers including those described in Ying et al. For example, the crosslinked polymeric material may be polydivinyl poly (ethylene glycol). The crosslinked polymeric material may further include a salt, for example, a lithium salt, to enhance ionic conductivity. In one embodiment, the multi-layer polymer layer may include a cross-linked polymer.

ただし、前記それぞれの層では効果的なデンドライトの成長抑制が難しいことがあり、前記デンドライト成長抑制層が物理的に成長を抑制し、前記単一イオン伝導層及び重合体層が前記抑制層を支持し、そして安定的な抑制を助ける効果を奏することができる。したがって、前記それぞれの層が複合的に積層される場合、デンドライト成長抑制効果がよくなることがある。   However, effective dendrite growth suppression may be difficult in the respective layers, the dendrite growth suppression layer physically suppresses the growth, and the single ion conductive layer and the polymer layer support the suppression layer. And an effect of assisting stable suppression can be obtained. Therefore, when the respective layers are laminated in a composite manner, the effect of suppressing dendrite growth may be improved.

また、本発明は、前記負極100を含むリチウム二次電池を提供する。   In addition, the present invention provides a lithium secondary battery including the negative electrode 100.

本発明によるリチウム二次電池は、前述した負極100の構造及び特性を除いた他の構成については、通常の技術者が実施する公知の技術を通じて製造可能であり、以下、具体的に説明する。   The structure of the lithium secondary battery according to the present invention, except for the structure and characteristics of the negative electrode 100, can be manufactured through a known technique performed by a general engineer, and will be described in detail below.

一般的なリチウム二次電池は、負極;正極;これらの間に介在される分離膜;及び電解質;を含み、本発明のリチウム二次電池の負極は、前記本発明の多重保護層を含む負極を含んでもよい。   A general lithium secondary battery includes a negative electrode; a positive electrode; a separator interposed therebetween; and an electrolyte. The negative electrode of the lithium secondary battery of the present invention includes the negative electrode including the multiple protective layer of the present invention. May be included.

前記正極は、正極活物質、導電材及びバインダーを含む組成物を正極集電体に製膜して正極の形態で製造することができる。   The positive electrode may be manufactured in the form of a positive electrode by forming a composition including a positive electrode active material, a conductive material, and a binder on a positive electrode current collector.

前記正極活物質は、LiCoO、LiNiO、LiMnO、LiMn、Li(NiCoMn)O(0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1)、LiNi1−yCoyO、LiCo1−yMnyO、LiNi1−yMnyO(O≦y<1)、Li(NiCoMn)O(0<a<2、0<b<2、0<c<2、a+b+c=2)、LiMn2−zNizO、LiMn2−zCozO(0<z<2)、LiCoPO及びLiFePOからなる群から選択されるいずれか一つ、またはこれらの中で2種以上の混合物を使用することができる。また、このような酸化物(oxide)の他に硫化物(sulfide)、セレン化物(selenide)及びハロゲン化物(halide)なども使用することができる。より好ましい例において、前記正極活物質は、高出力電池に適するLiCoOであってもよい。 The positive active material, LiCoO 2, LiNiO 2, LiMnO 2, LiMn 2 O 4, Li (Ni a Co b Mn c) O 2 (0 <a <1,0 <b <1,0 <c <1, a + b + c = 1) , LiNi 1-y coyO 2, LiCo 1-y MnyO 2, LiNi 1-y MnyO 2 (O ≦ y <1), Li (Ni a Co b Mn c) O 4 (0 <a <2 , 0 <b <2, 0 <c <2, a + b + c = 2), LiMn 2 -zNizO 4 , LiMn 2 -zCozO 4 (0 <z <2), LiCoPO 4 and LiFePO 4 Any one of them, or a mixture of two or more thereof can be used. Further, in addition to such an oxide, a sulfide, a selenide, a halide, and the like can be used. In a more preferred example, the positive electrode active material may be LiCoO 2 suitable for a high-power battery.

前記導電材は、正極活物質の導電性をさらに向上させるための成分で、非制限的な例として、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛;カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サマーブラックなどのカーボンブラック;炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維;フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末;酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカ;酸化チタンなどの導電性金属酸化物;ポリフェニレン誘導体などの導電性素材などが使われてもよい。   The conductive material is a component for further improving the conductivity of the positive electrode active material, and includes, without limitation, graphite such as natural graphite and artificial graphite; carbon black, acetylene black, Ketjen black, channel black, furnace black, and the like. Carbon black such as black, lamp black and summer black; conductive fiber such as carbon fiber and metal fiber; metal powder such as carbon fluoride, aluminum and nickel powder; conductive whisker such as zinc oxide and potassium titanate; titanium oxide For example, a conductive metal oxide such as a conductive metal oxide; and a conductive material such as a polyphenylene derivative may be used.

前記バインダーは、正極活物質を正極集電体に維持させ、正極活物質の間を有機的に連結してくれる機能を有するものとして、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルアルコール(PVA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、澱粉、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化−EPDM、スチレン−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、これらの多様な共重合体などを挙げることができる。   The binder has a function of maintaining the positive electrode active material in the positive electrode current collector and organically connecting the positive electrode active materials, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl alcohol (PVA), Carboxymethyl cellulose (CMC), starch, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene-butadiene rubber, fluoro rubber, these And the like.

前記正極集電体は、前記負極集電体で説明したとおりであり、一般的に、正極集電体はアルミニウム薄板が利用されてもよい。   The positive electrode current collector is as described for the negative electrode current collector, and generally, a thin aluminum plate may be used as the positive electrode current collector.

前記正極組成物を正極集電体上に当業界に知られている通常の方法を利用してコーティングすることができるし、例えば、ディッピング(dipping)法、スプレイ(spray)法、ロールコート(roll court)法、グラビア印刷法、バーコート(bar court)法、ダイ(die)コーティング法、コンマ(comma)コーティング法またはこれらの混合方式など多様な方式を利用することができる。   The positive electrode composition may be coated on the positive electrode current collector using a conventional method known in the art, such as a dipping method, a spray method, and a roll coating method. Various methods such as a coat method, a gravure printing method, a bar coat method, a die coating method, a comma coating method, or a mixed method thereof can be used.

このようなコーティング過程を経た正極及び正極組成物は、以後の乾燥過程を通して溶媒や分散媒の蒸発、コーティング膜の稠密性、及びコーティング膜と集電体との密着性などが行われる。この時、乾燥は通常の方法によって実施され、これは特に制限されない。   The positive electrode and the positive electrode composition that have undergone such a coating process undergo evaporation of a solvent or a dispersion medium, denseness of the coating film, and adhesion between the coating film and the current collector during the subsequent drying process. At this time, drying is performed by a usual method, and this is not particularly limited.

前記分離膜は、特にその材質を限定しないし、正極と負極を物理的に分離して、電解質及びイオン透過能を有するものであって、通常、電気化学素子で分離膜として使われるものであれば特に制限されずに使用可能であるが、多孔性で非伝導性または絶縁性の物質として、特に電解液のイオン移動に対して低抵抗でありながら、電解液の含湿能に優れたものが好ましい。例えば、ポリオレフィン系多孔性膜(membrane)または不織布を使用することができるが、これに特に限定されない。   The separation membrane is not particularly limited in its material, physically separates the positive electrode and the negative electrode, has an electrolyte and ion permeability, and is usually used as a separation membrane in an electrochemical device. Although it can be used without any particular limitation, it is a porous, non-conductive or insulating material, especially one that has a low resistance to ion migration of the electrolyte, but has excellent moisture-absorbing ability of the electrolyte. Is preferred. For example, a polyolefin-based porous membrane (membrane) or a nonwoven fabric can be used, but is not limited thereto.

前記ポリオレフィン系多孔性膜の例としては、高密度ポリエチレン、線形低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレンのようなポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリペンテンなどのポリオレフィン系高分子をそれぞれ単独で、またはこれらを混合した高分子で形成した膜を挙げられる。   Examples of the polyolefin-based porous membrane, high-density polyethylene, linear low-density polyethylene, low-density polyethylene, polyethylene such as ultra-high-molecular-weight polyethylene, polypropylene, polybutylene, a polyolefin-based polymer such as polypentene alone, or A film formed of a polymer in which these are mixed is exemplified.

前記不織布は、前述したポリオレフィン系不織布の他に、例えば、ポリフェニレンオキシド(polyphenyleneoxide)、ポリイミド(polyimide)、ポリアミド(polyamide)、ポリカーボネート(polycarbonate)、ポリエチレンテレフタレート(polyethyleneterephthalate)、ポリエチレンナフタレート(polyethylenenaphthalate)、ポリブチレンテレフタレート(polybutyleneterephthalate)、ポリフェニレンスルフィド(polyphenylenesulfide)、ポリアセタル(polyacetal)、ポリエーテルスルホン(polyethersulfone)、ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone)、ポリエステル(polyester)などをそれぞれ単独で、またはこれらを混合した高分子で形成した不織布が可能であり、このような不織布は多孔性ウェブ(web)を形成する繊維形態で、張繊維で構成されたスパンボンド(spunbond)またはメルトブローン(meltblown)形態を含む。   Examples of the nonwoven fabric include, in addition to the above-mentioned polyolefin-based nonwoven fabric, polyphenylene oxide (polyphenylene oxide), polyimide (polyimide), polyamide (polyamide), polycarbonate (polycarbonate), polyethylene terephthalate (polyethylene phthalate), and polyethylene naphthalate (polyethylene phthalate). Polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyacetal, polyethersulfone, polyetherether A nonwoven fabric formed of a polymer such as polyetheretherketone, polyester alone, or a mixture thereof may be used. Such a nonwoven fabric may be a fiber that forms a porous web, and may be a fiber. Including spunbond or meltblown forms composed of fibers.

前記分離膜の厚さは特に制限されないが、1ないし100μm範囲が好ましく、より好ましくは、5ないし50μmの範囲である。前記分離膜の厚さが1μm未満の場合は、機械的物性を維持することができないし、100μmを超える場合は、前記分離膜が抵抗層として作用することになって電池性能が低下される。   The thickness of the separation membrane is not particularly limited, but is preferably in the range of 1 to 100 μm, and more preferably in the range of 5 to 50 μm. If the thickness of the separation film is less than 1 μm, mechanical properties cannot be maintained. If the thickness exceeds 100 μm, the separation film acts as a resistance layer and battery performance is reduced.

前記分離膜の気孔の大きさ及び気孔度は特に制限されないが、気孔の大きさは0.1ないし50μmで、気孔度は10ないし95%であることが好ましい。前記分離膜の気孔の大きさが0.1μm未満であるか、気孔度が10%未満であれば、分離膜が抵抗層として作用することになるし、気孔の大きさが50μmを超えるか、気孔度が95%を超える場合は、機械的物性を維持することができない。   Although the size and porosity of the pores of the separation membrane are not particularly limited, it is preferable that the size of the pores is 0.1 to 50 μm and the porosity is 10 to 95%. If the pore size of the separation membrane is less than 0.1 μm or the porosity is less than 10%, the separation membrane will act as a resistance layer, and the pore size will exceed 50 μm, If the porosity exceeds 95%, mechanical properties cannot be maintained.

前記電解質は、リチウム金属と反応しない非水電解液または固体電解質が可能であるが、好ましくは、非水電解質で、電解質塩及び有機溶媒を含む。   The electrolyte may be a non-aqueous electrolyte or a solid electrolyte that does not react with lithium metal. Preferably, the electrolyte is a non-aqueous electrolyte and includes an electrolyte salt and an organic solvent.

前記非水電解液に含まれる電解質塩はリチウム塩である。前記リチウム塩は、リチウム二次電池用電解液に通常使われるものが制限されずに使われてもよい。例えば、前記リチウム塩の陰イオンとしては、F、Cl、Br、I、NO 、N(CN) 、BF 、ClO 、PF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF 、(CFPF、(CF、CFSO 、CFCFSO 、(CFSO、(FSO、CFCF(CFCO、(CFSOCH、(SF、(CFSO、CF(CFSO 、CFCO 、CHCO 、SCN及び(CFCFSOからなる群から選択されるいずれか一つ、またはこれらの中で2種以上を含むことができる。 The electrolyte salt contained in the non-aqueous electrolyte is a lithium salt. As the lithium salt, those commonly used in electrolytes for lithium secondary batteries may be used without limitation. For example, as the anion of the lithium salt, F , Cl , Br , I , NO 3 , N (CN) 2 , BF 4 , ClO 4 , PF 6 , (CF 3 ) 2 PF 4 , (CF 3 ) 3 PF 3 , (CF 3 ) 4 PF 2 , (CF 3 ) 5 PF , (CF 3 ) 6 P , CF 3 SO 3 , CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2 ) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C - , (CF 3 SO 2) 3 C -, CF 3 (CF 2) 7 SO 3 -, CF 3 CO 2 -, CH 3 CO 2 -, SCN - consists - and (CF 3 CF 2 SO 2) 2 N Any one selected from the group, or among these It can contain more species.

前記非水電解液に含まれる有機溶媒としては、リチウム二次電池用電解液に通常使われるものを制限なしに使用することができるし、例えば、エーテル、エステル、アミド、線形カーボネート、環状カーボネートなどをそれぞれ単独で、または2種以上混合して使用することができる。その中で、代表的には、環状カーボネート、線形カーボネート、またはこれらの混合物であるカーボネート化合物を含むことができる。   As the organic solvent contained in the non-aqueous electrolyte, those commonly used in lithium secondary battery electrolytes can be used without limitation, for example, ether, ester, amide, linear carbonate, cyclic carbonate, etc. May be used alone or in combination of two or more. Among them, a carbonate compound that is typically a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a mixture thereof can be included.

前記環状カーボネート化合物の具体的な例としては、エチレンカーボネート(ethylene carbonate、EC)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate、PC)、1,2−ブチレンカーボネート、2,3−ブチレンカーボネート、1,2−ペンチレンカーボネート、2,3−ペンチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート及びこれらのハロゲン化物からなる群から選択されるいずれか一つまたはこれらの中で2種以上の混合物がある。これらのハロゲン化物としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(fluoroethylene carbonate、FEC)などがあり、これに限定されない。   Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (propylene carbonate, PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, and 1,2-pentylene. There is any one selected from the group consisting of carbonate, 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate and a halide thereof, or a mixture of two or more thereof. These halides include, for example, fluoroethylene carbonate (FEC), but are not limited thereto.

また、前記線形カーボネート化合物の具体例としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート及びエチルプロピルカーボネートからなる群から選択されるいずれか一つ、またはこれらの中で2種以上の混合物などが代表的に使われることがあるが、これに限定されない。   Further, specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate and ethyl propyl carbonate. One or a mixture of two or more of them may be typically used, but is not limited thereto.

特に、前記カーボネート系有機溶媒の中で、環状カーボネートであるエチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートは、高粘度の有機溶媒として誘電率が高いため、電解質内のリチウム塩をさらによく解離させることができるし、このような環状カーボネートにジメチルカーボネート及びジエチルカーボネートのような低粘度、低誘電率の線形カーボネートを適当な割合で混合して使用すれば、より高い電気伝導率を有する電解液を作ることができる。   In particular, among the carbonate-based organic solvents, ethylene carbonate and propylene carbonate, which are cyclic carbonates, have a high dielectric constant as a high-viscosity organic solvent, so that the lithium salt in the electrolyte can be further dissociated. If a low-viscosity, low-dielectric-constant linear carbonate such as dimethyl carbonate and diethyl carbonate is mixed with such a cyclic carbonate at an appropriate ratio, an electrolyte having higher electric conductivity can be prepared.

また、前記有機溶媒の中でエーテルとしては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、メチルエチルエーテル、メチルプロピルエーテル及びエチルプロピルエーテルからなる群から選択されるいずれか一つまたはこれらの中で2種以上の混合物を使用することができるが、これに限定されない。   In addition, as the ether in the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether and ethyl propyl ether, or two of them are selected from the group consisting of ethers. The above mixture can be used, but is not limited thereto.

そして、前記有機溶媒の中でエステルとしては、メチルアセテート、エチルアセテート、プロピルアセテート、メチルプロピオネート、エチルプロピオネート、プロピルプロピオネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、γ−カプロラクトン、σ−バレロラクトン及びε−カプロラクトンからなる群から選択されるいずれか一つ、またはこれらの中で2種以上の混合物を使用してもよいが、これに限定されない。   And, as the ester in the organic solvent, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, γ-caprolactone, σ -Any one selected from the group consisting of valerolactone and ε-caprolactone, or a mixture of two or more thereof may be used, but is not limited thereto.

前記非水電解液の注入は、最終製品の製造工程及び要求物性に応じて、電気化学素子の製造工程中、適切な段階で行われてもよい。すなわち、電気化学素子の組み立て前または電気化学素子の組み立ての最終段階などで適用されてもよい。   The injection of the non-aqueous electrolyte may be performed at an appropriate stage during the manufacturing process of the electrochemical device according to the manufacturing process and required physical properties of the final product. That is, it may be applied before assembling the electrochemical device or at the final stage of assembling the electrochemical device.

本発明によるリチウム二次電池は、一般的な工程である巻取(winding)以外にもセパレーターと電極の積層(lamination、stack)及び折り畳み(folding)工程が可能である。そして、前記電池のケースは、円筒形、角形、ポーチ(pouch)型またはコイン(coin)型などになってもよい。   The lithium secondary battery according to the present invention can perform a lamination, stacking and folding process of a separator and an electrode, in addition to a general process of winding. The battery case may have a cylindrical shape, a square shape, a pouch type, a coin type, or the like.

前記のように、本発明による負極を含むリチウム二次電池は、優れた放電容量、出力特性及び容量維持率を安定的に示すので、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどのポータブル機器、及びハイブリッド電気自動車(hybrid electric vehicle、HEV)などの電気自動車分野などに有用である。   As described above, the lithium secondary battery including the negative electrode according to the present invention stably exhibits excellent discharge capacity, output characteristics, and capacity retention, so that portable devices such as mobile phones, notebook computers, digital cameras, and hybrid devices can be used. It is useful in the field of electric vehicles such as an electric vehicle (hybrid electric vehicle, HEV).

以下、本発明の理解を助けるために、好ましい実施例及び実験例を示す。ただし、下記の実施例及び実験例は、単に本発明の理解を助けるためのものであって、本発明が下記実施例及び実験例によって限定されることはない。   Hereinafter, in order to facilitate understanding of the present invention, preferred examples and experimental examples will be described. However, the following examples and experimental examples are merely to help understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples and experimental examples.

<実施例1>多層保護層がコーティングされた負極を含むリチウム二次電池の製造
厚さ20μmのリチウム金属板の負極上にHFP 20重量%のPVdF−HFPを含む第1保護層、LiPONを含む第2保護層及びHFP 5重量%のPVdF−HFPを含む第3保護層形成した。
Example 1 Manufacture of a lithium secondary battery including a negative electrode coated with a multi-layered protective layer A first protective layer containing 20% by weight of HFP containing PVdF-HFP and a LiPON were formed on a negative electrode of a lithium metal plate having a thickness of 20 μm. A second protective layer and a third protective layer containing 5% by weight of PVdF-HFP were formed.

第1保護層は、溶媒NMPにHFP 20重量%のPVdF−HFPを加えて20重量%の溶液を製造し、前記リチウム金属板上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The first protective layer was prepared by adding 20% by weight of PVdF-HFP to a solvent NMP to prepare a 20% by weight solution, coating the lithium metal plate with a slot die, and then drying at 120 ° C. for 30 minutes. It was formed with a thickness of 2 μm.

第2保護層は、前記第1保護層上にLiPONを含む溶液を反応スパッタリングして厚さ1μmで形成した。   The second protective layer was formed to a thickness of 1 μm on the first protective layer by reactive sputtering of a solution containing LiPON.

第3保護層は、溶媒NMPにHFP 5重量%のPVdF−HFPを加えて10重量%の溶液を製造し、前記第2保護層上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The third protective layer was prepared by adding 5% by weight of PVDF-HFP to a solvent NMP to prepare a 10% by weight solution, coating the second protective layer with a slot die, and then drying at 120 ° C. for 30 minutes. To a thickness of 2 μm.

また、正極活物質としてLCO(LiCoO)を使用して正極を製造した。N−メチルピロリドン(NMP)を溶媒とし、LCO:スーパー−ピー(Super−P):PVDF=95:2.5:2.5の重量比で混合してスラリーを製造し、厚さ12μmのアルミニウムホイルにコーティングして70μm厚さの正極を製造した。 In addition, a positive electrode was manufactured using LCO (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material. Using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, a slurry was prepared by mixing LCO: Super-P: PVDF = 95: 2.5: 2.5 by weight to produce a slurry having a thickness of 12 μm. A 70 μm thick positive electrode was manufactured by coating on a foil.

前記正極及び負極の間に厚さ20μmのポリエチレンを分離膜として介在させた後、エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC):ジメチルカーボネート(DMC)=1:2:1(v/v)溶媒にリチウム塩としてLiPF 1.0M、添加剤としてビニレンカーボネート(VC) 2重量%を含む電解液を注入し、リチウム二次電池を製造した。 After interposing polyethylene having a thickness of 20 μm as a separation membrane between the positive electrode and the negative electrode, a solvent of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC): dimethyl carbonate (DMC) = 1: 2: 1 (v / v) An electrolyte containing 1.0 M of LiPF 6 as a lithium salt and 2% by weight of vinylene carbonate (VC) as an additive was injected into the mixture to manufacture a lithium secondary battery.

<実施例2>多層保護層がコーティングされた負極を含むリチウム二次電池の製造
厚さ20μmのリチウム金属板の負極上にポリウレタンを含む第1保護層、LiPONを含む第2保護層及びHFP 5重量%のPVdF−HFPを含む第3保護層を形成した。
Example 2 Production of a lithium secondary battery including a negative electrode coated with a multilayer protective layer A first protective layer including polyurethane, a second protective layer including LiPON, and HFP 5 on a negative electrode of a lithium metal plate having a thickness of 20 μm. A third protective layer containing PVdF-HFP by weight was formed.

第1保護層は、溶媒NMPにポリウレタン(Shore硬度80A)を加えて20重量%の溶液を製造し、前記リチウム金属板上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The first protective layer was prepared by adding a polyurethane (Shore hardness: 80A) to a solvent NMP to prepare a 20 wt% solution, coating the lithium metal plate with a slot die, and drying it at 120 ° C. for 30 minutes to obtain a thickness. It was formed at 2 μm.

第2保護層は、前記第1保護層上にLiPONを含む溶液を反応スパッタリングして厚さ1μmで形成した。   The second protective layer was formed to a thickness of 1 μm on the first protective layer by reactive sputtering of a solution containing LiPON.

第3保護層は、溶媒NMPにHFP 5重量%のPVdF−HFPを加えて10重量%の溶液を製造し、前記第2保護層上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The third protective layer was prepared by adding 5% by weight of PVDF-HFP to a solvent NMP to prepare a 10% by weight solution, coating the second protective layer with a slot die, and then drying at 120 ° C. for 30 minutes. To a thickness of 2 μm.

また、正極活物質としてLCO(LiCoO)を使用して正極を製造した。N−メチルピロリドン(NMP)を溶媒とし、LCO:スーパー−ピー(Super−P):PVDF=95:2.5:2.5の重量比で混合してスラリーを製造し、厚さ12μmのアルミニウムホイルにコーティングして70μm厚さの正極を製造した。 In addition, a positive electrode was manufactured using LCO (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material. Using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, a slurry was prepared by mixing LCO: Super-P: PVDF = 95: 2.5: 2.5 by weight to produce a slurry having a thickness of 12 μm. A 70 μm thick positive electrode was manufactured by coating on a foil.

前記正極及び負極の間に厚さ20μmのポリエチレンを分離膜として介在させた後、エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC):ジメチルカーボネート(DMC)=1:2:1(v/v)溶媒にリチウム塩としてLiPF 1.0M、添加剤としてビニレンカーボネート(VC) 2重量%を含む電解液を注入してリチウム二次電池を製造した。 After interposing polyethylene having a thickness of 20 μm as a separation membrane between the positive electrode and the negative electrode, a solvent of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC): dimethyl carbonate (DMC) = 1: 2: 1 (v / v) An electrolyte containing 1.0 M of LiPF 6 as a lithium salt and 2% by weight of vinylene carbonate (VC) as an additive was injected into the mixture to manufacture a lithium secondary battery.

<実施例3>多層保護層がコーティングされた負極を含むリチウム二次電池の製造
厚さ20μmのリチウム金属板の負極上にHFP 20重量%のPVdF−HFPを含む第1保護層、LiBONを含む第2保護層及びHFP 5重量%のPVdF−HFPを含む第3保護層を形成した。
Example 3 Manufacture of a lithium secondary battery including a negative electrode coated with a multi-layered protective layer A first protective layer including 20% by weight of HFP and a LiBON including 20% by weight of HFP on a negative electrode of a lithium metal plate having a thickness of 20 μm. A second protective layer and a third protective layer containing 5% by weight of PVdF-HFP were formed.

第1保護層は、溶媒NMPにHFP 20重量%のPVdF−HFPを加えて20重量%の溶液を製造し、前記リチウム金属板上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The first protective layer was prepared by adding 20% by weight of PVdF-HFP to a solvent NMP to prepare a 20% by weight solution, coating the lithium metal plate with a slot die, and then drying at 120 ° C. for 30 minutes. It was formed with a thickness of 2 μm.

第2保護層は、前記第1保護層上にLiBONを含む溶液を反応スポットリングして厚さ1μmで形成した。   The second protective layer was formed to a thickness of 1 μm on the first protective layer by reactive spotting a solution containing LiBON.

第3保護層は、溶媒NMPにHFP 5重量%のPVdF−HFPを加えて10重量%の溶液を製造し、前記第2保護層上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The third protective layer was prepared by adding 5% by weight of PVDF-HFP to a solvent NMP to prepare a 10% by weight solution, coating the second protective layer with a slot die, and then drying at 120 ° C. for 30 minutes. To a thickness of 2 μm.

また、正極活物質としてLCO(LiCoO)を使用して正極を製造した。N−メチルピロリドン(NMP)を溶媒とし、LCO:スーパー−ピー(Super−P):PVDF=95:2.5:2.5の重量比で混合してスラリーを製造し、厚さ12μmのアルミニウムホイルにコーティングして70μm厚さの正極を製造した。 In addition, a positive electrode was manufactured using LCO (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material. Using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, a slurry was prepared by mixing LCO: Super-P: PVDF = 95: 2.5: 2.5 by weight to produce a slurry having a thickness of 12 μm. A 70 μm thick positive electrode was manufactured by coating on a foil.

前記正極及び負極の間に厚さ20μmのポリエチレンを分離膜として介在させた後、エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC):ジメチルカーボネート(DMC)=1:2:1(v/v)溶媒にリチウム塩としてLiPF 1.0M、添加剤としてビニレンカーボネート(VC) 2重量%を含む電解液を注入してリチウム二次電池を製造した。 After interposing polyethylene having a thickness of 20 μm as a separation membrane between the positive electrode and the negative electrode, a solvent of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC): dimethyl carbonate (DMC) = 1: 2: 1 (v / v) An electrolyte containing 1.0 M of LiPF 6 as a lithium salt and 2% by weight of vinylene carbonate (VC) as an additive was injected into the mixture to manufacture a lithium secondary battery.

<実施例4>多層保護層がコーティングされた負極を含むリチウム二次電池の製造
厚さ20μmのリチウム金属板の負極上にHFP 20重量%のPVdF−HFPを含む第1保護層、LiPONを含む第2保護層及びポリウレタンを含む第3保護層を形成した。
Example 4 Manufacture of a lithium secondary battery including a negative electrode coated with a multi-layer protective layer A first protective layer containing 20 wt% of HFP and 20% by weight of PVdF-HFP on a negative electrode of a lithium metal plate having a thickness of 20 μm, including LiPON A second protective layer and a third protective layer containing polyurethane were formed.

第1保護層は、溶媒NMPにHFP 20重量%のPVdF−HFPを加えて20重量%の溶液を製造し、前記リチウム金属板上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The first protective layer was prepared by adding 20% by weight of PVdF-HFP to a solvent NMP to prepare a 20% by weight solution, coating the lithium metal plate with a slot die, and then drying at 120 ° C. for 30 minutes. It was formed with a thickness of 2 μm.

第2保護層は、前記第1保護層上にLiPONを含む溶液を反応スパッタリングして厚さ1μmで形成した。   The second protective layer was formed to a thickness of 1 μm on the first protective layer by reactive sputtering of a solution containing LiPON.

第3保護層は、溶媒NMPにポリウレタン(Shore硬度75D)を加えて20重量%の溶液を製造し、前記第2保護層上にスロットダイコーティングをした後、120℃で30分間乾燥して厚さ2μmで形成した。   The third protective layer was prepared by adding a polyurethane (Shore hardness 75D) to a solvent NMP to prepare a 20% by weight solution, coating the second protective layer with a slot die, and then drying at 120 ° C. for 30 minutes to form a thick layer. It was formed with a thickness of 2 μm.

また、正極活物質としてLCO(LiCoO)を使用して正極を製造した。N−メチルピロリドン(NMP)を溶媒とし、LCO:スーパー−ピー(Super−P):PVDF=95:2.5:2.5の重量比で混合してスラリーを製造し、厚さ12μmのアルミニウムホイルにコーティングして70μm厚さの正極を製造した。 In addition, a positive electrode was manufactured using LCO (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material. Using N-methylpyrrolidone (NMP) as a solvent, a slurry was prepared by mixing LCO: Super-P: PVDF = 95: 2.5: 2.5 by weight to produce a slurry having a thickness of 12 μm. A 70 μm thick positive electrode was manufactured by coating on a foil.

前記正極及び負極の間に厚さ20μmのポリエチレンを分離膜として介在させた後、エチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC):ジメチルカーボネート(DMC)=1:2:1(v/v)溶媒にリチウム塩としてLiPF 1.0M、添加剤としてビニレンカーボネート(VC) 2重量%を含む電解液を注入してリチウム二次電池を製造した。 After interposing polyethylene having a thickness of 20 μm as a separation membrane between the positive electrode and the negative electrode, a solvent of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC): dimethyl carbonate (DMC) = 1: 2: 1 (v / v) An electrolyte containing 1.0 M of LiPF 6 as a lithium salt and 2% by weight of vinylene carbonate (VC) as an additive was injected into the mixture to manufacture a lithium secondary battery.

<比較例1>多層保護層を除いたリチウム二次電池の製造
前記実施例1で第1保護層、第2保護層及び第3保護層を製造及びコーティングしないことを除いて、前記実施例1の過程と同様に製造した。
<Comparative Example 1> Production of a lithium secondary battery without a multilayer protective layer Example 1 was repeated except that the first protective layer, the second protective layer, and the third protective layer were not produced and coated in Example 1. It was manufactured in the same manner as in the above process.

<比較例2>第1保護層を除いたリチウム二次電池の製造
前記実施例1で第1保護層を製造及びコーティングしないことを除いて前記実施例1の過程と同様に製造した。
<Comparative Example 2> Preparation of a lithium secondary battery without the first protective layer A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1, except that the first protective layer was not formed and was not coated.

<比較例3>第2保護層を除いたリチウム二次電池の製造
前記実施例1で第2保護層を製造及びコーティングしないことを除いて前記実施例1の過程と同様に製造した。
<Comparative Example 3> Preparation of a lithium secondary battery without the second protective layer The same procedure as in Example 1 was performed except that the second protective layer was not formed and coated in Example 1.

<比較例4>第3保護層を除いたリチウム二次電池の製造
前記実施例1で第3保護層を製造及びコーティングしないことを除いて前記実施例1の過程と同様に製造した。
<Comparative Example 4> Preparation of a lithium secondary battery without the third protective layer A lithium secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the third protective layer was not formed and was not coated.

<実験例>電池性能評価
前記実施例1〜4及び比較例で製造された各電池に対して性能評価を行った。この時、充電及び放電条件は、次のとおりである。
充電:律速0.2C、電圧4.25V、CC/CV(5% current cut at1C)
放電:律速0.5C、電圧3V、CC
<Experimental example> Battery performance evaluation The performance of each of the batteries manufactured in Examples 1 to 4 and Comparative Example was evaluated. At this time, charging and discharging conditions are as follows.
Charging: 0.2C rate control, 4.25V voltage, CC / CV (5% current cut at 1C)
Discharge: rate-limiting 0.5C, voltage 3V, CC

前記条件でサイクルを繰り返しながら、電池の初期容量と対比して放電容量が80%に至った時のサイクル数を測定し、その結果を下記表1に示す。   While repeating the cycle under the above conditions, the number of cycles when the discharge capacity reached 80% compared to the initial capacity of the battery was measured, and the results are shown in Table 1 below.

Figure 0006656718
Figure 0006656718

前記表1に示すように、第1ないし3保護層を全て適用した実施例1ないし4の場合、リチウムデンドライトの成長が抑制され、放電容量80%に至るサイクル数が比較例1ないし4に比べて遥かに増加したことが分かった。   As shown in Table 1, in Examples 1 to 4 in which all the first to third protective layers were applied, the growth of lithium dendrite was suppressed, and the number of cycles to reach a discharge capacity of 80% was smaller than that in Comparative Examples 1 to 4. It was found that the number increased significantly.

第1保護層を形成しない比較例2の場合、界面形成不良によるセル性能改善が行われなかったし、第2保護層を形成しない比較例3の場合、足りない強度でデンドライトの成長抑制能力が落ちた。第3保護層を形成しない比較例4の場合、第2保護層のデンドライトの成長抑制による体積変化による圧力を緩和できないため、サイクル途中で第2保護層の破壊が起きるし、電池の性能が落ちた。比較例1の場合、本発明の保護層が形成されないため、放電容量の80%に至るサイクル数が最も少なかった。すなわち、本発明の実施例1の電池が最も優れた電池性能を示した。   In the case of Comparative Example 2 in which the first protective layer was not formed, the cell performance was not improved due to poor interface formation, and in the case of Comparative Example 3 in which the second protective layer was not formed, the ability to suppress dendrite growth with insufficient strength was obtained. fell. In the case of Comparative Example 4 in which the third protective layer was not formed, the pressure due to the volume change due to the suppression of the growth of dendrites in the second protective layer could not be alleviated, so that the second protective layer was destroyed during the cycle and the performance of the battery deteriorated. Was. In the case of Comparative Example 1, since the protective layer of the present invention was not formed, the number of cycles reaching 80% of the discharge capacity was the smallest. That is, the battery of Example 1 of the present invention exhibited the most excellent battery performance.

100 リチウム二次電池用負極
110 リチウム金属層
120 第1保護層
130 第2保護層
140 第3保護層
Reference Signs List 100 Negative electrode for lithium secondary battery 110 Lithium metal layer 120 First protective layer 130 Second protective layer 140 Third protective layer

Claims (5)

リチウム金属層;
前記リチウム金属層上に形成され、前記リチウム金属層との界面を維持させる第1保護層;
前記第1保護層上に形成され、デンドライトの成長を物理的に抑制する第2保護層;及び
前記第2保護層上に形成され、前記第2保護層の構造を支持する第3保護層;を含み、
前記第1保護層は、イオン伝導度が10 −7 S/Cm以上で、電解液吸収度が150重量%以上であり、
前記第1保護層は、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子及びポリアクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上を含み、
前記第2保護層は、ヤング率が5GPa以上で、Liイオン伝導度が10 −7 S/Cm以上であり、電解液吸収度が150重量%以下であり、
前記第2保護層は、LiPON、LiBON、酸化ジルコニウム、β−アルミナ、LISICON系化合物、Li S−P 系化合物、Li N、LiI、Li NI 、Li N−LiI−LiOH、LiSiO 、LiSiO −LiI−LiOH、Li SiS 、Li SiO 、Li SiO −LiI−LiOH、Li S、Li S−SiS 、Li S−GeS 、Li S−B 、Li S−Al 、Li O−Al −TiO −P 、CaF 、AgI、RbAg 、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子、ポリプロピレン系高分子及びポリカーボネート系高分子からなる群から選択された一つ以上を含み、
前記第3保護層は、イオン伝導度が10 −5 S/Cm以上で、電解液吸収度が150重量%以下であり、
前記第3保護層は、PVdF−HFP高分子、ポリウレタン系高分子及びポリアクリル系高分子からなる群から選択された一つ以上を含むことを特徴とするリチウム二次電池用負極。
Lithium metal layer;
A first protective layer formed on the lithium metal layer and maintaining an interface with the lithium metal layer;
A second protective layer formed on the first protective layer and physically suppressing dendrite growth; and a third protective layer formed on the second protective layer and supporting a structure of the second protective layer; only including,
The first protective layer has an ion conductivity of 10 −7 S / Cm or more and an electrolyte absorbency of 150% by weight or more,
The first protective layer includes at least one selected from the group consisting of a PVdF-HFP polymer, a polyurethane polymer, and a polyacryl polymer.
The second protective layer has a Young's modulus of 5 GPa or more, a Li ion conductivity of 10 -7 S / Cm or more, and an electrolyte absorption of 150 wt% or less,
The second protective layer, LiPON, LiBON, zirconium oxide, beta-alumina, LISICON compounds, Li 2 S-P 2 S 5 based compounds, Li 3 N, LiI, Li 5 NI 2, Li 3 N-LiI- LiOH, LiSiO 4, LiSiO 4 -LiI -LiOH, Li 2 SiS 3, Li 4 SiO 4, Li 4 SiO 4 -LiI-LiOH, Li 2 S, Li 2 S-SiS 2, Li 2 S-GeS 2, Li 2 S-B 2 S 5, Li 2 S-Al 2 S 2, Li 2 O-Al 2 O 3 -TiO 2 -P 2 O 5, CaF 2, AgI, RbAg 4 I 5, PVdF-HFP polymer, Polyurethane-based polymer, including one or more selected from the group consisting of polypropylene-based polymer and polycarbonate-based polymer,
The third protective layer has an ionic conductivity of 10 −5 S / Cm or more and an electrolyte absorbency of 150% by weight or less,
The negative electrode of claim 2, wherein the third protective layer includes at least one selected from the group consisting of a PVdF-HFP polymer, a polyurethane polymer, and a polyacryl polymer .
請求項に記載の負極を含むリチウム二次電池。 A lithium secondary battery comprising the negative electrode according to claim 1 . 前記第1保護層は、HFPの含量が15重量%以上であるPVdF−HFP高分子を含む、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極。  The negative electrode of claim 1, wherein the first protective layer comprises a PVdF-HFP polymer having an HFP content of 15 wt% or more. 前記第2保護層の厚さが1μm〜10μmである、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極。  The negative electrode for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the thickness of the second protective layer is 1 m to 10 m. 前記第3保護層は、HFPの含量が5〜15重量%であるPVdF−HFP高分子を含む、請求項1に記載のリチウム二次電池用負極。  The negative electrode of claim 1, wherein the third protective layer comprises a PVdF-HFP polymer having an HFP content of 5 to 15 wt%.
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